KR100679704B1 - Manufacturing method of Nanogap or nanoFET for molecular device and bio-sensor - Google Patents
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Abstract
본 발명은 분자소자나 바이오 센서(bio-sensor)를 위한 나노갭(nanogap) 및 나노 전계효과 트랜지스터(nanoFET) 제작 방법에 관한 것으로, 상세하게는 분자 또는 그에 준하는 크기의 박막을 이용하여 재현성이 높은 나노갭(nanogap)의 제작 방법 등에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a nanogap and a nanofield effect transistor (nanoFET) for a molecular device or a bio-sensor, and more specifically, high reproducibility using a thin film of a molecule or its size. The present invention relates to a method of manufacturing a nanogap.
본 발명에 따른 나노갭(nanogap)의 제작 방법은, (a) 실리콘 기판, 절연막, 제1 금속층 및 하드 마스크를 순차적으로 형성하는 단계; (b) 상기 마스크 패턴을 마스크로 하여 제1 금속층을 식각하는 단계; (c) 상기 실리콘 기판 상에 나노갭을 형성하기 위하여 제1 금속층 측면에 SAM(Self-Assembled Monolayer)을 형성하는 단계; (d) 상기 실리콘 기판 상에 제2 금속층을 형성하기 위하여 금속을 증착하는 단계; (e) 상기 (a)단계에서 형성된 하드 마스크를 식각하여 하드 마스크 위에 증착된 금속을 리프트-오프(lift-off) 고정을 이용하여 제거하는 단계; 및 (f) 상기 (c)단계에서 형성된 SAM을 식각하여 나노갭을 형성하는 단계;를 포함하여 이루어진다. Method of manufacturing a nanogap (nanogap) according to the present invention, (a) sequentially forming a silicon substrate, an insulating film, a first metal layer and a hard mask; (b) etching the first metal layer using the mask pattern as a mask; (c) forming a self-assembled monolayer (SAM) on the side of the first metal layer to form a nanogap on the silicon substrate; (d) depositing a metal to form a second metal layer on the silicon substrate; (e) etching the hard mask formed in step (a) to remove the metal deposited on the hard mask by using lift-off fixing; And (f) etching the SAM formed in step (c) to form a nanogap.
분자소자, Molecular device, bio-sensor, nanogap, nanoFET, SAM, ALDMolecular device, Molecular device, bio-sensor, nanogap, nanoFET, SAM, ALD
Description
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 바이오 센서를 위한 수평 nanogap을 제작하는 방법을 순차적으로 도시한 공정 단면도이다.1 is a cross-sectional view sequentially showing a method of manufacturing a horizontal nanogap for a biosensor according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 바이오 센서를 위한 수직 nanogap을 제작하는 방법을 순차적으로 도시한 공정 단면도이다.2 is a cross-sectional view sequentially showing a method of manufacturing a vertical nanogap for a biosensor according to an embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 바이오 센서를 위한 수직 nanogap을 제작하는 방법을 순차적으로 도시한 공정 단면도이다.3 is a cross-sectional view sequentially illustrating a method of manufacturing a vertical nanogap for a biosensor according to another embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 분자소자를 위한 수직 nanogap과 분자를 채널로 사용한 분자소자를 제작하는 방법을 순차적으로 도시한 공정 단면도이다.4 is a cross-sectional view sequentially illustrating a method of fabricating a molecular device using a vertical nanogap and a molecule as a channel according to another embodiment of the present invention.
*****도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명********** Description of the symbols for the main parts of the drawings *****
101, 201, 301, 401: 실리콘 기판 102, 202, 302, 402: 절연막 101, 201, 301, 401:
103, 203, 303, 404: 제1 Au 층 104, 206, 306, 408: 하드 마스크103, 203, 303, 404:
105, 204: Self-Assembled Monolayer 304, 405: Al2O3 층105, 204: Self-Assembled
106, 205, 305, 406: 제2 Au 층 403, 407: Si3N4 층106, 205, 305, 406:
409: SiO2 층 (Side-wall) 410: 게이트 물질409: SiO 2 layer (side-wall) 410: gate material
411: 채널 분자층 101-1: 도핑된 back-gate411: channel molecular layer 101-1: doped back-gate
본 발명은 분자소자나 바이오 센서(bio-sensor)를 위한 나노갭(nanogap) 및 나노 전계효과 트랜지스터(nano Field Effect Transistor; nanoFET) 제작 방법에 관한 것으로, 상세하게는 분자 또는 그에 준하는 크기의 박막을 이용하여 재현성이 높은 나노갭(nanogap) 등의 제작 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a nanogap and a nano field effect transistor (nanoFET) for a molecular device or a bio-sensor, and more particularly, to a thin film of a molecule or its size. It relates to a production method such as nanogap (nanogap) with high reproducibility.
나노미터 크기의 갭(gap)을 사이에 두고 양쪽에 금속판이 위치하게 되는 금속 nanogap은 분자소자와 바이오 센서를 제작하는 데에 유용하게 사용된다.Metal nanogaps, with metal plates on both sides with nanometer-sized gaps between them, are useful for the production of molecular devices and biosensors.
반도체 소자는 거듭되는 기술의 발전으로 소자의 크기가 지속적으로 줄어들며 소자의 성능도 향상되는 과정을 거치며 계속적인 고집적화를 이루어왔다. As semiconductor devices continue to develop, technology has been continuously reduced in size, and device performance has been improved.
하지만, 반도체 공정에서 사용되는 리소그라피(lithography)가 가지는 기술적인 문제(광원의 파장, 빛의 산란, 렌즈의 NA 한계, photoresist의 부재)로 인해 소자 크기의 소형화는 한계에 도달하게 되었다. However, due to the technical problems of lithography used in semiconductor processes (wavelength of light source, light scattering, NA limit of lens, absence of photoresist), device size miniaturization has reached its limit.
이러한 반도체 소자 소형화의 한계를 극복하기 위해서 분자소자가 제안되었 다. Molecular devices have been proposed to overcome these limitations of semiconductor device miniaturization.
분자소자는 분자를 채널로 이용하는 새로운 개념의 소자이다. Molecular devices are a new concept of devices that use molecules as channels.
이러한 분자소자를 구현하기 위해서는 기존의 전계효과 트랜지스터의 소오스/드레인 역할을 하는 두개의 금속판 사이에 분자의 길이에 해당하는 크기의 갭(gap)이 존재해야 한다. In order to implement such a molecular device, a gap corresponding to the length of a molecule must exist between two metal plates serving as source / drain of a conventional field effect transistor.
그러나, 위에서 언급한 바와 같이 기존의 리소그라피를 이용해서 분자 크기의 갭(gap)을 형성하는 것은 기술적인 한계에 부딪히고 있다. However, as mentioned above, the formation of molecular size gaps using conventional lithography faces technical limitations.
바이오 센서는 효소나 항체와 같이 생물체를 이루고 있는 특정 분자를 검출하는 역할을 하는 검출기이다. Biosensors are detectors that detect specific molecules that make up organisms, such as enzymes and antibodies.
화학적, 광학적, 전기적인 방법으로 검출하는 방법이 있으며, 이 중에서 전기적인 검출방법은 적은 양으로 빠른 검출이 가능하다는 장점을 가지고 있다. There is a method of detecting by chemical, optical, and electrical methods, among which the electrical detection method has the advantage that it can be quickly detected in a small amount.
기존의 실리콘 공정을 이용한 고집적의 센서 형성을 통해 소형의 센서를 대량생산 하여 저렴한 가격으로 휴대 가능한 센서를 제작할 수 있다는 장점도 있다. By forming a highly integrated sensor using the conventional silicon process, it is also possible to produce a portable sensor at a low price by mass producing a small sensor.
나노갭(nanogap) 사이에 생체물질이 들어있는 용액을 주입한 후 나노갭(nanogap) 양 단의 전기적인 특성의 변화를 통해 특정 물질을 검출할 수 있기 때문에 수 나노미터의 폭을 가진 나노갭(nanogap)은 전기적인 센서로 사용될 수 있다. After injecting a solution containing biomaterials between the nanogaps, a specific material can be detected by changing the electrical properties across the nanogaps. nanogap) can be used as an electrical sensor.
이 때 나노갭(nanogap)의 갭(gap) 크기가 작아질수록 감도가 증가하여 좀 더 효과적인 검출이 가능하다. At this time, the smaller the gap size of the nanogap (nanogap), the more sensitive it is possible to detect more effectively.
그러나, 기존의 실리콘 공정에서 쓰이는 리소그라피를 이용해 수 나노미터 이하의 갭(gap)을 형성하는 것은 사용되는 광원의 파장, 빛의 산란현상 등의 기술적인 한계를 가지고 있고, 또한 리소그라피를 이용한 나노갭(nanogap)의 형성은 복잡한 공정과정이 필요하고 갭(gap) 크기가 작아질수록 재현성이 떨어지기 때문에 고성능의 바이오 센서에 필요한 수 나노미터 크기의 갭(gap)을 제작하기가 어렵게 된다. However, forming gaps of several nanometers or less using lithography used in the conventional silicon process has technical limitations such as wavelength of light source used and scattering of light, and also nanogap using lithography ( The formation of nanogaps requires a complex process and the reproducibility decreases as the gap size becomes smaller, making it difficult to fabricate a gap of several nanometers required for high performance biosensors.
분자소자 또는 바이오 센서를 구현하기 위해서는 새로운 방법을 통한 수 나노미터 크기의 나노갭(nanogap)을 만드는 것이 필수적이다. In order to implement molecular devices or biosensors, it is essential to create nanogaps of several nanometers in size through new methods.
상기의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 실리콘 기판 위에 두개의 금속층과 SAM(Self-Assembled Monolayer) 또는 ALD(Atomic Layer Deposition)공정을 통한 Al2O3 층을 형성한 후 SAM 또는 Al2O3 층을 식각 또는 부분식각하여 수 나노미터의 나노갭(nanogap)을 제작하는 방법을 제공하는데 있다. An object of the present invention for solving the above problems, after forming a metal layer and Al 2 O 3 layer through a Self-Assembled Monolayer (SAM) or ALD (Atomic Layer Deposition) process on a silicon substrate SAM or Al 2 The present invention provides a method of fabricating nanogap of several nanometers by etching or partially etching an O 3 layer.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상술한 나노갭(nanogap) 제작 방법을 이용하여, 간단한 방법으로 고집적, 고성능의 바이오 센서와 기존의 소자를 대체할 분자소자인 나노전계효과트랜지스터(nanoFET)를 제작하는 방법을 제공하는 것이다. In addition, another object of the present invention is to manufacture a nano-field effect transistor (nanoFET), which is a molecular device to replace the existing high-density, high-performance biosensor and the conventional device by using a nanogap manufacturing method described above in a simple method To provide a way.
본 발명의 일실시예에 따른 바이오 센서를 위한 나노갭(nanogap)의 제작 방법은, (a) 실리콘 기판, 절연막, 제1 금속층 및 하드 마스크를 순차적으로 형성하는 단계; (b) 상기 마스크 패턴을 마스크로 하여 제1 금속층을 식각하는 단계; (c) 상기 실리콘 기판 상에 나노갭을 형성하기 위하여 제1 금속층 측면에 SAM(Self-Assembled Monolayer)을 형성하는 단계; (d) 상기 실리콘 기판 상에 제2 금속층을 형성하기 위하여 금속을 증착하는 단계; (e) 상기 (a)단계에서 형성된 하드 마스크를 식각하여 하드 마스크 위에 증착된 금속을 리프트-오프(lift-off) 고정을 이용하여 제거하는 단계; 및 (f) 상기 (c)단계에서 형성된 SAM을 식각하여 나노갭을 형성하는 단계;를 포함하여 이루어진다.Method of manufacturing a nanogap (nanogap) for a biosensor according to an embodiment of the present invention, (a) sequentially forming a silicon substrate, an insulating film, a first metal layer and a hard mask; (b) etching the first metal layer using the mask pattern as a mask; (c) forming a self-assembled monolayer (SAM) on the side of the first metal layer to form a nanogap on the silicon substrate; (d) depositing a metal to form a second metal layer on the silicon substrate; (e) etching the hard mask formed in step (a) to remove the metal deposited on the hard mask by using lift-off fixing; And (f) etching the SAM formed in step (c) to form a nanogap.
여기서, 상기 제1 및 제2 금속층에 사용되는 금속은 금(Au)인 것이 바람직하다.Here, the metal used for the first and second metal layers is preferably gold (Au).
여기서, 상기 제1 및 제2 금속층의 형성은 기상증착, 스퍼터링 또는 PLD(Pulsed Laser Deposition) 공정 중 어느 하나의 공정을 이용하여 형성되는 것이 바람직하다.The first and second metal layers may be formed using any one of a vapor deposition, sputtering, or pulsed laser deposition (PLD) process.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 수직 나노갭(nanogap)의 제작 방법은, (a) 실리콘 기판, 절연막 및 제1 금속층을 순차적으로 형성하는 단계; (b) 상기 실리콘 기판 상에 나노갭을 형성하기 위하여 SAM, 제2 금속층 및 하드 마스크를 순차적으로 형성하는 단계; (c) 상기 마스크 패턴을 마스크로 하여 제2 금속층, SAM 및 제1 금속층을 식각하는 단계; (d) 상기 SAM이 형성될 패턴을 확보하기 위하여 (b)단계에서 형성된 하드 마스크를 식각하는 단계; (e) 상기 SAM을 부분 식각하여 나노갭을 형성하는 단계;를 포함하여 이루어진다.In addition, the manufacturing method of the vertical nanogap (nanogap) according to an embodiment of the present invention, (a) sequentially forming a silicon substrate, an insulating film and the first metal layer; (b) sequentially forming a SAM, a second metal layer, and a hard mask to form a nanogap on the silicon substrate; (c) etching the second metal layer, the SAM, and the first metal layer using the mask pattern as a mask; (d) etching the hard mask formed in step (b) to secure a pattern on which the SAM is to be formed; (e) partially etching the SAM to form a nanogap.
여기서, 상기 제1 및 제2 금속층에 사용되는 금속은 금(Au)인 것이 바람직하다.Here, the metal used for the first and second metal layers is preferably gold (Au).
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 수직 나노갭(nanogap)의 제작 방법은, (a) 실리콘 기판, 절연막 및 제1 금속층을 순차적으로 형성하는 단계; (b) 상기 실리콘 기판 상에 나노갭을 형성하기 위하여 유전체, 제2 금속층 및 하드 마스크를 순차적으로 형성하는 단계; (c) 상기 하드 마스크을 마스크로 하여 제2 금속층, 유전체, 제1 금속층을 식각하는 단계; 및 (d) 상기 (b)단계에서 형성된 유전체를 부분 식각하여 나노갭을 형성하는 단계;를 포함하여 이루어진다.In addition, the manufacturing method of the vertical nanogap (nanogap) according to another embodiment of the present invention, (a) sequentially forming a silicon substrate, an insulating film and the first metal layer; (b) sequentially forming a dielectric, a second metal layer, and a hard mask to form a nanogap on the silicon substrate; (c) etching the second metal layer, the dielectric, and the first metal layer using the hard mask as a mask; And (d) partially etching the dielectric formed in the step (b) to form a nanogap.
여기서, 상기 제1 및 제2 금속층의 금속은 금(Au)을 이용하는 것이 바람직하다. Here, it is preferable to use gold (Au) as the metal of the first and second metal layers.
여기서, 상기 (b)단계의 유전체는 Al2O3인 것이 바람직하다.Here, the dielectric of step (b) is preferably Al 2 O 3 .
또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수직 나노갭(nanogap)의 제작 방법은, (a) 실리콘 기판, 절연막, 제1 실리콘 질화막 및 제1 금속층을 순차적으로 형성하는 단계; (b) 상기 실리콘 기판 상에 나노갭을 형성하기 위하여 제1 유전체, 제2 금속층, 제2 실리콘 질화막 및 하드 마스크를 순차적으로 형성하는 단계; (c) 상기 하드 마스크를 마스크로 하여 상기 제2 실리콘 질화막, 제2 금속층, 제1 유전체, 제1 금속층 및 제1 실리콘 질화막을 식각하는 단계; (d) 상기 실리콘 기판 상에 막형성(film deposition)과 이방식각이 가능한 제2 유전체층을 증착하는 단계; (e) 상기 제2 유전체층을 에치-백(etch-back) 공정을 이용하여 게이트 산화막을 형성하는 단계; (f) 상기 실리콘 기판 상에 형성된 패턴에 게이트 물질을 증착하는 단계; (g) 상기 (f)단계에서 증착된 게이트 물질로 감광막 패턴을 마스크로 하여 게이트를 형성하는 단계; (h) 상기 (b)단계에서 형성된 제1 유전체층을 식각하여 수직 나노갭을 형성하는 단계; 및 (i) 상기 (h)단계에서 형성된 수직 나노갭에 나노갭의 폭과 동일한 길이를 갖는 분자층을 형성하는 단계;를 포함하여 이루어진다.In addition, the manufacturing method of the vertical nanogap (nanogap) according to another embodiment of the present invention, (a) sequentially forming a silicon substrate, an insulating film, a first silicon nitride film and a first metal layer; (b) sequentially forming a first dielectric, a second metal layer, a second silicon nitride film, and a hard mask on the silicon substrate to form a nanogap; (c) etching the second silicon nitride film, the second metal layer, the first dielectric, the first metal layer, and the first silicon nitride film using the hard mask as a mask; (d) depositing a second dielectric layer capable of film deposition and bimodal angle on the silicon substrate; (e) forming a gate oxide layer on the second dielectric layer by using an etch-back process; (f) depositing a gate material on the pattern formed on the silicon substrate; (g) forming a gate using the photoresist pattern as a mask with the gate material deposited in step (f); (h) etching the first dielectric layer formed in step (b) to form a vertical nanogap; And (i) forming a molecular layer having a length equal to the width of the nanogap in the vertical nanogap formed in step (h).
여기서, 상기 제1 및 제2 금속층의 금속은 금(Au)을 이용하는 것이 바람직하다. Here, it is preferable to use gold (Au) as the metal of the first and second metal layers.
여기서, 상기 (b)단계의 유전체는 Al2O3인 것이 바람직하다.Here, the dielectric of step (b) is preferably Al 2 O 3 .
여기서, 상기 (d)단계의 유전체는 SiO2인 것이 바람직하다.Here, the dielectric of step (d) is preferably SiO 2 .
이하, 본 발명에 따른, 분자소자나 바이오 센서를 위한 나노갭(nanogap) 또는 나노전계효과트랜지스터(nanoFET)의 제작 방법의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings a preferred embodiment of a method of manufacturing a nanogap (nanogap) or nano-field effect transistor (nanoFET) for a molecular device or a biosensor according to the present invention will be described in detail.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 바이오 센서를 위한 수평 나노갭(nanogap)을 제작하는 방법을 순차적으로 도시한 공정 단면도이다.1 is a process cross-sectional view sequentially showing a method of manufacturing a horizontal nanogap (nanogap) for a biosensor according to an embodiment of the present invention.
도시된 바와 같이, 실리콘 기판 상에 제1 Au 층(금속층)를 형성하고 SAM을 이용하여 제2 Au 층을 제1 Au 층과 분리시켜 형성함으로써 SAM의 길이에 해당하는 수평 나노갭(nanogap)을 형성하도록 한다.As shown, a horizontal nanogap corresponding to the length of SAM is formed by forming a first Au layer (metal layer) on a silicon substrate and separating the second Au layer from the first Au layer using SAM. To form.
먼저, 실리콘 기판(101), 도핑을 이용한 back-gate 박막(101-1), 절연막(102), 제1 Au 층(103), 하드 마스크(104)를 순차적으로 형성한다(100A).First, a
하드 마스크(104)는 이후 제1 Au 층 이방 식각 시 식각되지 않는 물질로 구성하도록 한다.The
다음으로, 하드 마스크(104) 패턴을 마스크로 하여 제1 Au 층(103)을 이방 식각하여, 이후 공정에서 수평 나노갭(nanogap)의 한쪽 전극이 될 패턴을 형성한다(100B).Next, the
다음으로, 제1 Au 층(103)과 제2 Au 층(106) 사이의 갭(gap)을 형성하기 위하여 제1 Au 층(103) 측면에 SAM(105)을 형성한다(100C).Next, in order to form a gap between the
여기서, Au와 접착성(adhesion)이 좋은 SAM을 선택하여 사용하는 것이 바람직하다.Here, it is preferable to select and use SAM having good adhesion with Au.
다음으로, 수평 나노갭(nanogap)의 또 다른 전극을 형성하기 위해 식각으로 노출된 절연막(102)에 제2 Au 층(106)을 형성시킨다(100D).Next, to form another electrode of the horizontal nanogap (nanogap), the
여기서, 하드 마스크(104)로 인해 제1 Au 층(103)의 측면에 형성된 SAM(105) 위에는 제2 Au 층(106)이 형성되지 않게 된다.Here, the
다음으로, 하드 마스크(104)를 식각함으로써 두 개의 전극 사이에 SAM(105)이 형성된 패턴을 얻는다.Next, by etching the
하드 마스크(104) 위에 형성된 제2 Au 층(106)은 하드 마스크를 식각하는 동시에 같이 식각된다(100E).The
다음으로, 제1 Au 층(103)과 제2 Au 층(106) 사이에 형성되어 있는 SAM(105)를 식각한다(100F).Next, the
여기서, 수평 나노갭(nanogap)을 나노전계효과트랜지스터(nanoFET)로 이용하기 위해서는 채널 분자층 역할을 하는 SAM(105)이 제거되어서는 안 되므로, 본 과정(100F)이 필요하지 않다. In this case, in order to use the horizontal nanogap (nanogap) as a nanofield effect transistor (nanoFET), the
이와 같은 과정에 의해, 본 발명의 일실시예에 따른 바이오 센서를 위한 수평 나오갭(nanogap) 또는 나노전계효과트랜지스터(nanoFET)를 제작하는 것이 가능하고 SAM의 길이에 따라서 나노갭(nanogap)의 폭을 조절하는 것이 가능하게 된다.By this process, it is possible to fabricate a horizontal nagap or a nanofield effect transistor (nanoFET) for a biosensor according to an embodiment of the present invention, and the width of the nanogap depending on the length of the SAM. It is possible to adjust.
SAM의 체인(chain) 길이를 원자단위로 조절하여 검출하고자 하는 생체물질의 크기에 따라 원자크기의 정확도를 갖는 유동적인 나노갭(nanogap)의 폭을 구현할 수 있다.By controlling the chain length of the SAM (atomic unit), it is possible to realize a fluid nanogap width having an atomic size accuracy depending on the size of the biomaterial to be detected.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 바이오 센서를 위한 수직 나노갭(nanogap)을 제작하는 방법을 순차적으로 도시한 공정 단면도이다.2 is a cross-sectional view sequentially illustrating a method of manufacturing a vertical nanogap for a biosensor according to an embodiment of the present invention.
도시된 바와 같이, 실리콘 기판 상에 제1 Au 층을 형성하고 SAM을 이용하여 제2 Au 층을 제1 Au 층과 분리시켜 형성함으로써 SAM의 길이에 해당하는 수직 ㄴ나나노갭(gap)을 형성하도록 한다.As shown, a vertical Au nanogap corresponding to the length of the SAM is formed by forming a first Au layer on the silicon substrate and separating the second Au layer from the first Au layer using SAM. do.
실리콘 기판(201), 절연막(202), 제1 Au 층(203), SAM(204), 제2 Au 층(205)을 순차적으로 형성한다(200A).The
다음으로, 제2 Au 층(205)위에 하드 마스크(206)를 형성한다(200B).Next, a
하드 마스크(206)는 이후 공정에서 제1 Au 층(203), SAM(204), 제2 Au 층(205)을 식각하기 위한 것이기에, 제1 Au 층(203), SAM(204), 제2 Au 층(205)의 이방 식각 시 식각되지 않는 물질로 충분히 두껍게 형성한다.The
다음으로, 하드 마스크(206) 패턴을 마스크로 하여 제1 Au 층(203), SAM(204), 제2 Au 층(205)를 이방 식각하여, 이후 공정에서 수직 나노갭(nanogap)이 될 패턴을 형성한다(200C).Next, the
다음으로, 하드 마스크(206)를 식각함으로써 두 개의 전극 사이에 SAM(204)이 형성될 패턴을 얻는다(200D).Next, by etching the
다음으로, 제1 Au 층(203)과 제2 Au 층(205) 사이에 형성되어 있는 SAM(204)를 부분 식각하여 나노갭(nanogap)이 되는 부분을 형성한다(200E).Next, the
이와 같은 과정에 의해, 본 발명의 일실시예에 따른 바이오 센서를 위한 수직 나노갭(nanogap)을 제작하는 것이 가능하고 SAM의 길이에 따라서 나노갭(nanogap)의 폭을 조절하는 것이 가능하게 된다.By this process, it is possible to manufacture a vertical nanogap (nanogap) for the biosensor according to an embodiment of the present invention and it is possible to adjust the width of the nanogap (nanogap) according to the length of the SAM.
SAM의 체인(chain) 길이를 원자단위로 조절하여 검출하고자 하는 생체물질의 크기에 따라 원자크기의 정확도를 갖는 유동적인 나노갭(nanogap)의 폭을 구현할 수 있다.By controlling the chain length of the SAM (atomic unit), it is possible to realize a fluid nanogap width having an atomic size accuracy depending on the size of the biomaterial to be detected.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 바이오 센서를 위한 수직 나노갭(nanogap)을 제작하는 방법을 순차적으로 도시한 공정 단면도이다.3 is a cross-sectional view sequentially illustrating a method of manufacturing a vertical nanogap for a biosensor according to another exemplary embodiment of the present invention.
도시된 바와 같이, 실리콘 기판 상에 제1 Au 층을 형성하고 Al2O3을 이용하여 제2 Au 층을 제1 Au 층과 분리시켜 형성함으로써 Al2O3의 두께에 해당하는 수직 나노갭(nanogap)을 형성하도록 한다.Vertical nanogap forming the first 1 Au layer on a silicon substrate and that the thickness of the Al 2 O 3 formed by separating the first 2 Au layer by using the Al 2 O 3 and claim 1 Au layer as shown ( nanogap).
실리콘 기판(301), 절연막(302), 제1 Au 층(303), Al2O3 층(304), 제2 Au 층(305)을 순차적으로 형성한다(300A). The
여기서, Al2O3 층(304)은 ALD(Atomic Layer Deposition)을 이용해서 형성한다.Here, the Al 2 O 3 layer 304 is formed using ALD (Atomic Layer Deposition).
여기서, ALD를 사용하면 원자수준의 크기로 층을 형성하는 것이 가능하다.Here, the use of ALD makes it possible to form layers on an atomic scale.
다음으로, 제2 Au 층(305)위에 하드 마스크(306)를 형성한다(300B).Next, a
여기서, 하드 마스크(306)는 이후 공정에서 제1 Au 층(303), Al2O3 층(304), 제2 Au 층(305)을 식각하기 위한 것이므로, 제1 Au 층(303), Al2O3 층(304), 제2 Au 층(305)의 이방 식각 시 식각되지 않는 물질로 충분히 두껍게 형성한다.Here, since the
다음으로, 하드 마스크(306) 패턴을 마스크로 하여 제1 Au 층(303), Al2O3 층(304), 제2 Au 층(305)을 이방 식각하여, 이후 공정에서 수직 나노갭(nanogap)이 될 패턴을 형성한다(300C).Next, the
다음으로, 하드 마스크(306)를 식각함으로써 두 개의 전극 사이에 Al2O3 층(304)이 형성된 패턴을 얻는다(300D).Next, by etching the
다음으로, 제1 Au 층(303)과 제2 Au 층(305) 사이에 형성되어 있는 Al2O3 층(304)을 부분 식각하여 나노갭(nanogap)이 되는 부분을 형성한다(300E).Next, the Al 2 O 3 layer 304 formed between the
이와 같은 과정에 의해, 본 발명의 다른 실시예에 따른 바이오 센서를 위한 수직 나노갭(nanogap)을 제작하는 것이 가능하고 ALD를 통해 형성한 Al2O3의 두께에 따라서 서브-나노미터(sub-nanometer) 크기의 정확도로 나노갭(nanogap)의 폭을 조절하는 것이 가능하게 된다.By this process, it is possible to manufacture a vertical nanogap (nanogap) for the biosensor according to another embodiment of the present invention, and according to the thickness of the Al 2 O 3 formed through ALD sub-nanometer (sub- It is possible to control the width of the nanogap with nanometer accuracy.
즉, ALD 공정상의 여러 가지 조건 (gas pressure, 공정시간 등)을 통해 인위적으로 두께를 조절하여 다양한 두께의 박막을 얻는 것이 가능하게 된다.That is, it is possible to obtain a thin film of various thickness by artificially adjusting the thickness through various conditions (gas pressure, process time, etc.) in the ALD process.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 분자소자를 위한 수직 나노갭(nanogap)과 분자를 게이트 유전막으로 사용한 분자소자를 제작하는 방법을 순차적으로 도시한 공정 단면도이다.4 is a cross-sectional view sequentially illustrating a method of fabricating a molecular device using a vertical nanogap and a molecule as a gate dielectric layer for a molecular device according to another embodiment of the present invention.
도시된 바와 같이, 실리콘 기판 상에 제1 Au 층을 형성하고 Al2O3을 이용하여 제2 Au 층과 제1 Au 층을 분리시켜 형성함으로써 Al2O3의 두께에 해당하는 수직 나노갭(nanogap)을 형성하도록 한다.Vertical nano-gap, forming the first 1 Au layer on a silicon substrate and that the thickness of the Al 2 O 3 formed by separating the first 2 Au layer and a 1 Au layer by using the Al 2 O 3 as shown ( nanogap).
그 후에 형성된 수직 나노갭(nanogap)에 게이트 유전막의 역할을 하는 갭(gap) 크기와 동일한 길이를 갖는 분자를 형성하여 나노전계효과트랜지스터(nanoFET)를 구현하도록 한다.After that, a molecule having a length equal to a gap size serving as a gate dielectric layer is formed in a vertical nanogap formed to implement a nanofield effect transistor (nanoFET).
실리콘 기판(401), 절연막(402), 제 1 Si3N4 층(403), 제1 Au 층(404), Al2O
3 층(405), 제2 Au 층(406), 제 2 Si3N4 층(407), 하드 마스크(408)를 순차적으로 형성한다(400A).
여기서, Al2O3 층(405)은 ALD을 이용해서 형성한다.Here, the Al 2 O 3 layer 405 is formed using ALD.
여기서, ALD를 사용하면 원자수준의 크기로 층을 형성하는 것이 가능하다.Here, the use of ALD makes it possible to form layers on an atomic scale.
또한, 하드 마스크(408)는 이후 공정에서 제1 Si3N4 층(403), 제1 Au 층(404), Al2O3 층(405), 제2 Au 층(406), 제2 Si3N4 층(407)을 식각하기 위한 것이기에, 제1 Si3N4 층(403), 제1 Au 층(404), Al2O3 층(405), 제2 Au 층(406), 제2 Si3N4 층(407)의 이방 식각 시 식각되지 않는 물질로 충분히 두껍게 형성한다.In addition, the
다음으로, 하드 마스크(408) 패턴을 마스크로 하여 제1 Si3N4 층(403), 제1 Au 층(404), Al2O3 층(405), 제2 Au 층(406), 제2 Si3N4 층(407)를 이방 식각한 후, 하드 마스크(408)를 제거한다(400B).Next, the first Si 3 N 4 layer 403, the
다음으로, 패턴에 SiO2 층(409)을 증착한다. Next, a SiO 2 layer 409 is deposited on the pattern.
여기서, SiO2 층(409)은 이후 공정에서 형성될 게이트와 Au 층 사이에 SiO2 사이드-월(side-wall)을 형성하기 위함이다(400C).Here, the SiO 2 layer 409 is to form a SiO 2 side-wall between the gate and Au layer to be formed in a later process (400C).
다음으로, SiO2 층(409)을 에치-백(etch-back)하여 게이트가 형성될 부분에 두개의 사이드-월(side-wall)을 형성한다(400D).Next, the SiO 2 layer 409 is etched back to form two side-walls at the portion where the gate is to be formed (400D).
다음으로, 게이트 물질(410)을 증착한 후, 감광막 패턴을 이용해서 게이트를 형성하고, Al2O3 층(405)을 식각하여 분자층이 형성될 나노갭(nanogap)을 형성한다(400E).Next, after the
다음으로, Al2O3 층(405)의 식각으로 생긴 나노갭(nanogap)의 폭과 동일한 길이를 갖는 분자층(411)을 형성한다(400F).Next, the
이와 같은 과정에 의해, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 분자소자를 위한 수직 나노갭(nanogap)을 제작하는 것이 가능하고, ALD를 통해 형성한 Al2O3의 두께에 따라서 서브-나노미터(sub-nanometer) 크기의 정확도로 나노갭(nanogap)의 폭을 조절하는 것이 가능하게 된다. By this process, it is possible to manufacture a vertical nanogap (nanogap) for the molecular device according to another embodiment of the present invention, and according to the thickness of the Al 2 O 3 formed through the ALD sub-nanometer ( The accuracy of the sub-nanometer size makes it possible to control the width of the nanogap.
또한, 앞서 과정으로 제작된 나노갭(nanogap)에 분자층을 형성함으로써 ㄴ나나노전계효과트랜지스터(FET)를 제작하는 것이 가능하게 된다.In addition, by forming a molecular layer in the nanogap (nanogap) prepared in the above process it is possible to manufacture a nano-nano field effect transistor (FET).
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변 형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.Although the embodiments of the present invention have been described above with reference to the accompanying drawings, the technical configuration of the present invention described above may be modified in other specific forms by those skilled in the art to which the present invention pertains without changing its technical spirit or essential features. It will be appreciated that it may be practiced. Therefore, the above-described embodiments are to be understood as illustrative and not restrictive in all respects, and the scope of the present invention is indicated by the appended claims rather than the detailed description, and the meaning and scope of the claims and All changes or modified forms derived from the equivalent concept should be construed as being included in the scope of the present invention.
본 발명에 따른 분자소자나 바이오 센서를 위한 나노갭(nanogap) 및 나노전계효과트랜지스터(nanoFET) 제작방법을 통해, 간단하고 재현성 있는 공정을 통해 고집적의 나노갭(nanogap) 구조를 제작할 수 있다.Through the nanogap and nanofield effect transistor (nanoFET) manufacturing method for a molecular device or a biosensor according to the present invention, a highly integrated nanogap structure can be manufactured through a simple and reproducible process.
또한, 적절한 SAM의 선택과 ALD 공정을 통해 기존 공정으로는 구현하기 어려운 수 나노미터 크기의 나노갭(nanogap)을 제작할 수 있다.In addition, by selecting the proper SAM and ALD process, it is possible to fabricate nanogaps of several nanometers that are difficult to implement in existing processes.
또한, 다양한 종류의 SAM과 ALD 공정을 통해 검출하고자 하는 생체물질에 알맞은 크기의 나노갭(nanogap)을 서브-나노미터(sub-nanometer) 크기의 정확도로 제작할 수 있다.In addition, various types of SAM and ALD processes may be used to fabricate nanogaps of a size suitable for a biomaterial to be detected with an accuracy of sub-nanometer size.
또한, 본 발명은 현재 반도체 공정을 이용한 매우 실용적인 기술이고 scaling에 한계를 보이는 기존 리소그라피를 대체할 수 있는 나노갭(nanogap) 제작기술이므로 바이오 센서나 분자소자 산업 전반에 걸쳐 파급 효과가 크다. In addition, the present invention is a very practical technology using the current semiconductor process and nanogap (nanogap) manufacturing technology that can replace the existing lithography showing a limitation in scaling, so the ripple effect is large throughout the biosensor or molecular device industry.
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